[发明专利]一种混合电磁耦合无线电能传输耦合结构优化设计方法

权利要求书

1.一种混合电磁耦合无线电能传输耦合结构，其特征在于：包括发射端的发射线圈和发射铜环，接受端的接收线圈和接受铜环；

所述发射端与接收端采用相同的线圈参数，互感公式为：

a_i＝r_out-(n_i-1)(w_r+s)-w_r/2

γ_i＝2a_i²/(2a_i²+D²)

r_out＝r+ns+(n+1)w_r

其中线圈的导线半径w_r、线圈每匝之间的距离s，发射端与接受端的间距D为已知量，n为匝数，i取值范围1～n，r_out是线圈的外半径与铜环内半径相同，μ₀是真空磁导率，h为同一侧上下铜环之间的距离，w为铜环宽度，发射线圈和接收线圈参数相同，发射铜环和接收铜环参数相同。

2.一种基于权利要求1所述的混合电磁耦合无线电能传输耦合结构的优化设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：由设计要求得到线圈尺寸

基于磁耦合无线电能传输效率计算公式|S₂₁|²，将其作为优化目标之一，

磁耦合无线电能传输效率为|S₂₁|²，|S₂₁|的表达为：

其中ω₀为谐振角频率，ω₀＝2πf₀，R_L为负载电阻，是已知的参数，R为线圈的欧姆损耗估算为2Ω，M为线圈互感，与传输距离和线圈相关参数有关；

得到|S₂₁|与线圈匝数n、线圈内半径r的三维关系图，提取|S₂₁|最高点对应的线圈匝数n，线圈内半径r，得到几组不同规格的线圈，对于每一个线圈匝数n，|S₂₁|最高点只有一个且有唯一线圈内半径r与之对应；

步骤二：由设计要求和线圈参数得到铜环尺寸

计算得到步骤一选取的几组线圈分别所需要的铜环宽度：

利用下式计算线圈电感值：

将得到的电感L带入自谐振频率表达式求得需要的电容C，用自谐振频率f₀表示的电容C公式为：

将得到的电容C代入求得的铜环宽度w和铜环内半径r_out与铜环电容C的拟合公式中，得到对应的铜环宽度值，拟合公式为：

w＝27.02+0.8771C-0.14r_out

其中w、C和r_out分别是铜环宽度、所需的电容值和线圈的外径，

步骤三：仿真验证临界耦合和谐振频率，判断是否满足设计要求

铜环与对应线圈组合得到接收端和发射端，接收端与发射端排列得到完整系统结构，对系统进行仿真，验证在指定距离D处的谐振频率是否是规定谐振频率，同时是否在该距离该频率处于临界耦合状态，如果实际得到的谐振频率与规定的谐振频率的误差在可接受范围内，且系统处于临界耦合状态则设计完成，如果不满足执行步骤四，

判断临界耦合的方法：通过仿真得到输入阻抗虚部Im(Z(1,1))等于零的频率点，该点即为系统谐振频率点，同时仿真得到系统S₂₁和频率关系图，如果S₂₁图像在谐振频率点附近略微出现了两个靠得很近的峰，则达到临界耦合，

步骤四，修正铜环尺寸，使系统满足步骤3中的要求

用实际得到的谐振频率f₁减去规定谐振频率f₀得到一个差值，将规定谐振频率减去这个差值得到一个过渡频率值2f₀-f₁，然后把这个过渡频率值作为新的自谐振频率带入步骤一。